古代木桥概念设计选型刍议

刘振宇 （鲁东大学土木工程学院，山东 烟台 264000）

木桥与自然环境更易形成协调关系，其柔和的视觉效果和舒适的触觉感受使其成为中小跨径人行桥及景观桥的优秀备选方案，其悠久的使用历史也使其容易被人接受和喜爱。古代木桥多用原木，但因当时荷载较小，尚能满足中小跨径通行要求，在长期使用中发展出独木骈木、木梁木柱、木撑架、伸臂木梁和叠梁拱等几种主要桥式[1]，其中伸臂木梁和叠梁拱均可与传统亭台楼阁相结合，形成十分有中国特色的木廊桥。

现代木桥的发展得益于复合木材的出现，其耐腐、耐燃性能均得到很大改善，在与钢材或预应力相结合之后其承载能力也获得极大提高，完全可以满足公路交通的承载要求，再加上成材过程环保、成桥过程无污染、因质轻而施工方便且易于回收等优点，极大拓展了木桥的适用范围，也使古代木桥重新焕发了生机。古代木桥可通过采用新材料和新技术来满足现代交通要求，并凭借其附带的传统文化价值和地域特色在方案比选中获得竞争优势。

1 古代木梁桥

1.1 典型桥式及适用范围

1.1.1 独木骈木

独木桥以一根原木或方木成桥，两端固定以防止滚动。原始独木桥没有扶手或栏杆，行人通行需要维持身体平衡，容易落水。现代独木桥为保证通行安全比较重视栏杆设计，常以栏杆作为造型主体，以统一或对比的方式突出栏杆与独木的色彩、质地或形状，有些以独特的支撑结构取胜。骈木则以多根原木或方木纵向并排放置成桥，上可覆板方便通行，较独木桥应用广泛，由于桥面比独木桥宽，在桥低水浅处也可不设栏杆，如湖南凤凰古城木桥、江西婺源思溪木桥等。

独木骈木结构是木桥中最简单的桥式，因其简单而凸显原始风趣，在园林及风景区中常用作人行窄桥的选型方案。

1.1.2 木撑架

木撑架是对骈木的加强，下设斜撑来提高木梁刚度从而减小弯曲变形。木梁与斜撑的节点采用榫卯联结，但榫卯会削弱木梁截面抗弯能力并造成木梁断裂，因此常在木梁下加一短木梁，短木梁两端与斜撑联结，再上承木梁（图1（a））。为保证并排多根斜撑均匀受力，需在短木梁与斜撑联结处设置节点横木，短木梁与斜撑分别与节点横木榫卯联结，这种结构类似于叠梁拱的三节苗。三节苗本身具有面内稳定性，可将其作为承载单元与其它杆件相结合形成众多变体。若用2根斜撑从三节苗节点横木下缘穿过并将其撑起，端部榫接在放置于短木梁下（或上）的节点横木中（图 1（b）、（c）），形成三节苗加二节苗结构，便已属于叠梁拱。所以木撑架可以看做骈木与叠梁拱（编木）之间的过渡桥式，是对独木骈木的加强，也是最简单的叠梁拱桥。

图1 木撑架类型

木撑架的适用范围与独木骈木相同，且多在缺少粗大木材地区使用，可增大木梁跨径或提高其承载能力。斜撑若采用钢材，将获得更多造型变化，可使木桥轻盈灵动。上部造型仍以栏杆为主，变更其形、色、质各元素，与下部结构形成协调关系，可获得较好的景观效果。

1.1.3 伸臂木梁

伸臂木梁的结构特点是多层木梁自支点处由下至上逐层纵向伸出，层间夹以横木使每层纵向木梁受力均匀、变形同步。下层木梁承受上层横木传下来的集中力较大时，可通过缩短伸出幅度来减小力臂从而降低弯矩；若上层木梁承受上层横木集中力较小，可增大伸出幅度以充分发挥该层木梁抗弯能力。多层抗弯能力叠加以承受支点负弯矩，从而降低跨中正弯矩，进而增大跨越能力，成为我国大跨木桥的典型桥式。

单向伸臂木梁起源于公元4世纪初的青海、甘肃，宋代演变出双向伸臂木梁和斜撑伸臂木梁[2]，修建区域由青陇蔓延至湘桂，同时形成很强的地域性，这也成为该类木桥选型的首要因素。单向伸臂木梁也称为藏式伸臂桥，广泛分布于藏区，特点是伸臂根部采用木石叠垛作为压重防止伸臂向下倾覆，也可在木石叠垛上设置桥屋用于增重和护桥。双向伸臂木梁是在墩顶叠架木梁并沿纵向对称伸出，其上普遍建有桥廊，也称风雨桥，常见于湘桂一带。斜撑伸臂木梁较为少见，甘肃文县阴平桥属此种桥式。

伸臂木梁因用料偏多，适用于木材丰富地区，在上述区域若要修建具有地域特色的人行桥时可将其作为选型方案。其造型特点也可用于非木结构中，例如四川阿坝祥塘大桥某一设计方案即采用仿原木水泥板装饰桥体形成藏式伸臂桥的效果[3]。伸臂木桥是最有可能和现代建材结合实现大跨径公路木桥的古代桥型，因其受力结构清晰，可以实现精确设计，并且其造型设计还可以在粗狂的基础上进一步细腻化，增强其美观性。

1.2 选型注意事项

上述3种木梁桥所用材料均为原木或方木，在选材时要仔细检查天然缺陷，条件允许时应优先选用复合木材，以便于在传统工艺基础上进行模拟优化和精确计算分析，提高其安全性能。传统的防腐、防火、防水毁措施若涉及到结构特点的可以继续沿用，若与结构特点无关的尽量用新技术替代，以提高其耐久性。虽然原木或方木在维护良好情况下可以使用50年，但木桥的耐久性并不体现在这里，而是体现在杆件的可更换性（即可持续性），因此要做好各个杆件的更换方案设计，实现建筑结构的永久使用。

2 古代木拱廊桥

2.1 典型桥式

桥上设置桥屋即为廊桥，桥体可以是骈木、木撑架、伸臂木梁、叠梁拱、石梁和石拱，最常采用的是叠梁拱。叠梁拱由木撑架演变而来，由主、副两组系统组成，主系统为三节苗，副系统根据实地情况在二至五节苗中选取，其中五节苗应用最广。两组系统通过节点横木叠压成桥，受力特点介于梁拱之间，最大跨径达到37.6m（福建寿宁鸾峰桥）。桥屋结构基本与当地民居相同，穿斗屋架上覆双坡顶，有些在顶部中心用如意斗拱叠梁成八角藻井，屋内两边有木凳，桥身外侧覆遮雨板以阻风雨侵蚀，遮雨板上开小窗用以采光和通风[4]。整体造型优美、个性张扬，极具东方建筑特色。

2.2 适用范围

木拱廊桥属浙闵地区传统桥式，因此具有较强的地域性。随着近20年对木拱廊桥的研究和宣传，其在建筑和文化上的重要意义已获得普遍认可，对木拱廊桥的保护和传承获得长足发展，其应用也渐渐向周边地区蔓延，成为当地人行桥有竞争力的选型方案，有些公路桥也开始借用其造型特点设计成仿古景观桥，与其同属中国古代三大木桥样式的藏式伸臂桥和湘桂风雨桥则尚未形成此种格局。

限制木拱廊桥发展的主要因素是其跨越能力和承载能力，虽然叠梁拱是中国古代木桥最高技术的体现，但在桥梁史中仅有历史意义而无发展潜力，其价值不如同期的木桁架拱。木桁架拱因其充分发挥了木材顺纹抗拉能力强的特点，其跨越能力与承载力均高于前者，并在钢材出现后迅速突破了500m跨径，这是叠梁拱无法实现的。增大叠梁拱跨径和承载力的方法目前有两种：用复合木材替换原木、增加主副系统节苗数量。复合木材材质均匀，力学特性可根据需要进行生产，容易实现精确设计。增加节苗数量是为了让叠梁拱的受力特点更接近于拱，增加的节点横木和排架会让拱上荷载分布更加均匀，这样易于模拟合理拱轴线，将叠梁拱纳入现代拱桥设计理论。在叠梁拱桥提高了跨越能力和承载能力之后，才可能在人行桥领域获得突破性发展。

2.3 选型注意事项

木拱廊桥传统工艺需整理记录而不需因循旧制，由于使用环境和设计要求均发生变化，传统工艺无法满足设计精度要求，也因此无法保证使用者的生命财产安全。若材料性能可靠，结构受力清晰，在满足安全性和适用性之后，可尽量保留传统工艺，以实现木拱廊桥在实际应用中的传承。在概念设计阶段，要积极借鉴国内外新近研究成果，例如钢木组合材料、木节点处理方式、防腐防火技术等，以提高木拱廊桥的使用性能。木拱廊桥除使用功能外还有较大的文化意义，其文化意义在于传统建筑艺术和区域特色，因此在选型时既要考虑桥梁自身的安全性和适用性，又要考虑与自然环境协调、与建筑文脉融合，最后还要考虑木拱廊桥众多的附加功能，如休憩、观景、社交等，尽量丰富当地居民的生活环境。

3 结语

古代木桥采用原木构件和榫卯联结，设计凭师承，施工靠经验，步入近代后其跨越能力、承载能力、耐久性均无法满足交通运输要求，逐渐被混凝土桥和钢桥取代。现代木桥直接继承的是混凝土桥和钢桥的技术成果，这使得现代木桥与古代木桥之间存在着一条技术鸿沟，如何实现技术对接，成为古代木桥能否复兴的关键。古代木桥需要突破自身局限，变更材料、修改结构、努力吸收现代木桥的技术成果，只有这样才不会被时代抛弃成为文物，才可以在现代桥梁概念设计选型方案中占有一席之地，凭借其悠久的历史文化价值与现代木桥一较短长。